

(© Yuriy T – stock.adobe.com)
OXFORD, Inggris — Saat memikirkan plastik, Anda mungkin membayangkan tas belanja tipis atau botol air sekali pakai. Namun ada jenis plastik khusus yang sangat kuat sehingga dapat menghentikan peluru, menggantikan sendi pinggul yang aus, dan membuat tali lebih kuat dari kabel baja. Tangkapannya? Sangat sulit untuk dibentuk dan dibentuk — sampai sekarang.
Para ilmuwan di Universitas Oxford telah mengembangkan cara baru untuk memprosesnya polietilen dengan berat molekul sangat tinggi (UHMWPE), bahan plastik super kuat yang telah membuat frustrasi para produsen selama beberapa dekade. Terobosan mereka, dijelaskan dalam jurnal Kimia & Bahan Industridapat menghasilkan rompi antipeluru yang lebih baik, implan medis yang lebih tahan lama, dan peralatan industri yang lebih kuat.
UHMWPE seperti juara kelas berat plastik. Apa yang membuatnya begitu istimewa? Bayangkan semangkuk spageti, tapi setiap mie jutaan kali lebih panjang dari biasanya. Hal ini serupa dengan struktur molekul plastik: mereka merupakan rantai yang sangat panjang dan saling terkait satu sama lain. Rantai super panjang inilah yang membuat plastik sangat kuat, namun juga membuatnya hampir mustahil untuk dicairkan dan dibentuk menjadi bentuk yang berguna. Faktanya, ketika dipanaskan, plastik ini mengalir sangat lambat sehingga para ilmuwan membandingkannya dengan pitch – suatu zat yang sangat tebal sehingga setetes plastik membutuhkan waktu bertahun-tahun untuk jatuh dari corong.
“UHMWPE, yang didefinisikan oleh berat molekul dalam jutaan Dalton yang menunjukkan ukuran molekul yang besar dan sifat kompleksnya, adalah jenis polietilen khusus yang dianggap sebagai plastik rekayasa penting karena sifat-sifatnya yang diinginkan,” jelas Dermot O'Hare, profesor kimia. di Universitas Oxford dan penulis koresponden studi tersebut, dalam sebuah pernyataan.
Tim Oxford menangani apa yang disebut O'Hare sebagai “faktor pembatas utama penerapan polimer berkinerja tinggi ini” dari empat sudut berbeda. Setiap pendekatan bertujuan untuk membuat material lebih mudah dikelola sekaligus menjaga kekuatannya yang luar biasa.


Pendekatan pertama mereka melibatkan pengendalian bagaimana molekul plastik terbentuk dan menyatu saat dibuat. Ini seperti menambahkan pasta dengan hati-hati ke dalam air mendidih agar tidak menggumpal. Meskipun teknik ini menjanjikan dalam mengendalikan bagaimana molekul plastik terjerat selama produksi, para peneliti menemukan bahwa ada batas kritisnya. Di bawah konsentrasi situs aktif tertentu di permukaan, perbaikan lebih lanjut tidak dapat dicapai.
Strategi kedua memperkenalkan agen transfer rantai: pengubah molekuler yang bertindak seperti gunting kimia. Ketika tim menggunakan hidrogen sebagai agen transfer rantai, mereka melihat penurunan berat molekul sebanyak 96% dibandingkan dengan metode produksi standar. Hal ini membuat bahan lebih mudah untuk diproses dengan tetap mempertahankan sifat-sifat yang bermanfaat.
Metode ketiga menggunakan beberapa jenis katalis secara bersamaan untuk menciptakan campuran dengan panjang rantai yang berbeda. Ini mirip dengan bagaimana Anda menggabungkan bahan-bahan berbeda untuk mendapatkan tekstur yang tepat dalam sebuah resep. Pendekatan inovatif ini menghasilkan material yang menggabungkan kemampuan proses dengan kekuatan, sehingga memungkinkan kontrol sewenang-wenang terhadap distribusi berat molekul.
Terakhir, mereka mencoba mencampurkan plastik super kuat mereka dengan jenis plastik yang lebih umum. Mereka menemukan bahwa mencampurkannya dengan polietilen berdensitas tinggi (jenis yang digunakan dalam wadah susu) berhasil dengan baik, namun mencampurkannya dengan polietilen berdensitas rendah (jenis yang digunakan dalam kantong plastik) tidak berhasil – kedua bahan tersebut tidak akan menyatu dengan baik. , seperti minyak dan air.
“Pendekatan dan kombinasinya dianggap penting untuk memperluas penerapan UHMWPE,” O'Hare menekankan. Langkah tim selanjutnya adalah menyelidiki bagaimana menggabungkan berbagai pendekatan pemrosesan yang memungkinkan pengembangan material dengan sifat baru.
Penelitian ini mewakili langkah maju yang signifikan dalam menjadikan bahan plastik super kuat ini lebih praktis untuk digunakan secara luas. Seperti menemukan resep sempurna untuk memasak pasta, para ilmuwan Oxford ini telah menunjukkan bahwa dengan kombinasi teknik yang tepat, bahan yang paling sulit sekalipun dapat menjadi lebih mudah dikelola – tanpa kehilangan sifat luar biasa mereka.
Ringkasan Makalah
Metodologi
Para peneliti menggunakan berbagai teknik kimia untuk mengontrol bagaimana UHMWPE disintesis dan diproses. Mereka bekerja dalam jumlah kecil di laboratorium, menggunakan katalis khusus dan menambahkan bahan kimia berbeda untuk mengontrol struktur molekul. Mereka menguji berbagai pendekatan: mengendalikan keterikatan molekul selama sintesis, menggunakan bahan kimia untuk mengubah panjang rantai, menggabungkan katalis yang berbeda, dan membuat campuran dengan plastik lain.
Rincian Hasil
Tim berhasil mengembangkan beberapa metode untuk meningkatkan pemrosesan UHMWPE. Mereka mencapai pengurangan berat molekul hingga 96% ketika menggunakan hidrogen sebagai agen transfer rantai, menciptakan material bimodal dengan kemampuan proses yang lebih baik, dan mengembangkan campuran komposit yang menunjukkan peningkatan sifat mekanik. Campuran HDPE/UHMWPE menunjukkan hasil yang sangat menjanjikan, dengan peningkatan kekuatan tarik hingga 103%.
Keterbatasan
Studi ini dilakukan pada sampel skala laboratorium, dan peningkatan produksi industri mungkin menimbulkan tantangan tambahan. Beberapa pendekatan menghasilkan trade-off antara kemampuan proses dan kekuatan. Stabilitas jangka panjang dan kinerja material yang dimodifikasi tidak diuji secara ekstensif.
Diskusi dan Kesimpulan
Penelitian ini menunjukkan beberapa pendekatan yang layak untuk meningkatkan pemrosesan UHMWPE, dengan masing-masing metode menawarkan keuntungan berbeda. Pekerjaan ini memberikan landasan untuk mengembangkan proses manufaktur yang lebih baik untuk plastik berkinerja tinggi, yang berpotensi menghasilkan produk yang lebih baik di berbagai industri.
Pendanaan dan Pengungkapan
Penelitian ini didukung oleh SCG Chemicals PLC dan Impact Acceleration Account dari Engineering and Physical Sciences Research Council. Penulis berkolaborasi dengan berbagai institusi termasuk SENFI UK Ltd. dan SCG Chemicals PLC.